Prestazione energetica di edifici in condizioni estive: l'effetto dell'isolamento termico

Il lavoro di tesi rappresenta lo sviluppo di una ricerca volta ad approfondire il tema dell’ottimizzazione del livello di isolamento termico nella progettazione estiva dell’edificio, in riferimento a differenti scenari d’uso e tipologie edilizie. L’attività di ricerca, sviluppata intorno al tema dell’analisi energetica degli edifici, ha avuto come obiettivo principale l’elaborazione di una nuova metodologia di analisi termica utile ad indagare i parametri che maggiormente influenzano la prestazione energetica. Il metodo consiste nell’analizzare in dettaglio i differenti contributi al bilancio termico convettivo dell’aria interna e le loro interrelazioni in riferimento alle differenti condizioni al contorno; ciascun contributo è scorporato in funzione delle sollecitazioni termiche dinamiche relative all’ambiente esterno ed interno, ovvero la temperatura dell’aria esterna, la radiazione solare, le sorgenti termiche interne, e può essere riferito separatamente a specifici gruppi di componenti che scambiano energia termica con l’aria interna, ossia l’involucro opaco, l’involucro trasparente, i componenti edilizi interni, etc. Al fine di individuare all’interno di ciascun termine del bilancio termico la quota da attribuire a ciascuna sollecitazione, si applica il principio di sovrapposizione degli effetti realizzando su uno stesso modello una serie di simulazioni con il codice di simulazione numerica dettagliata EnergyPlus, aggiungendo di volta in volta una sollecitazione diversa. All’elaborazione della metodologia di indagine fa seguito l’individuazione di una specifica modalità di rappresentazione dei risultati, attraverso la quale è possibile evidenziare e confrontare i pesi delle diverse sollecitazioni/termini del bilancio termico sul fabbisogno di energia e sui carichi frigoriferi dell’edificio. Una particolarità del metodo consiste nel fatto che i parametri che influenzano la prestazione energetica di un edificio possono essere individuati direttamente nella rappresentazione, oppure, al fine di raggiungere un dettaglio maggiore, attraverso l’accorpamento di alcuni contributi al bilancio termico. In questo modo è possibile indagare, ad esempio, quale sia l’influenza dell’involucro edilizio sulla prestazione termica dell’edificio, oppure se sia prevalente l’influenza dell’involucro opaco o di quello trasparente. Questo aspetto rappresenta il potenziale della metodologia d’indagine nell’individuare il peso dell’involucro nel suo complesso, e nello specifico, quello dell’involucro opaco sulla prestazione termica estiva degli edifici, per studiare l’effetto del livello di isolamento termico in vista di una sua ottimizzazione progettuale. La metodologia d’indagine può essere utilizzata anche per la progettazione termica e la diagnosi energetica degli edifici e permette, tra l’altro, di effettuare un confronto accurato tra metodi di calcolo della prestazione energetica. In riferimento a questo ultimo aspetto viene sviluppato il confronto tra il metodo di calcolo semplificato in regime quasi-stazionario, UNI EN ISO 13790, e il metodo di calcolo dettagliato in regime dinamico, EnergyPlus, e sono individuate le cause principali del divario tra i due modelli di calcolo. L’applicazione principale della metodologia d’indagine ha riguardato l’analisi parametrica di due casi studio, un edificio residenziale e un edificio ad uso uffici; di essi è fissata la località (Roma), l’uso e la geometria. In particolare, i dati relativi all’uso e alla gestione dell’edificio (es. utilizzo delle schermature solari) sono ricavati, sia direttamente sia mediante rielaborazione, dalla normativa tecnica e dalla letteratura tecnico-scientifica. Gli altri parametri che determinano la prestazione energetica estiva degli edifici sono fatti variare; tra essi si annoverano l’estensione della superficie trasparente e le sue proprietà termiche e solari, i livelli di isolamento e di inerzia termica dell’involucro opaco, le proprietà solari della superficie opaca esterna. Attraverso la tecnica di campionamento Latin Hypercube sono state ottenute, per ciascun caso studio, 60 differenti combinazioni delle variabili parametriche che rappresentano un campione significativo. L’analisi energetica del campione, attraverso l’applicazione della metodologia di analisi termica, ha condotto all’individuazione dell’elevato contributo dell’involucro edilizio al carico termico medio mensile (luglio) dell’edificio ad uso residenziale, e del ridotto contributo dello stesso sulla prestazione energetica estiva dell’edificio ad uso uffici. Per individuare il contributo dell’involucro opaco e soprattutto quello dell’isolamento termico è stata effettuata un’analisi di sensibilità utile a ricavare il peso di ciascun parametro (variabile indipendente) sulla prestazione termica estiva dell’edificio (variabile dipendente), espressa sia dal fabbisogno netto di energia per il raffrescamento sia dalla potenza frigorifera massima nel mese di luglio. L’accorpamento dei parametri originari campionati in parametri “semi-empirici” ha reso possibile l’individuazione, tra i modelli matematici studiati, di una funzione di tipo esponenziale per relazionare le variabili indipendenti alla variabile dipendente. Attraverso l’effettuazione di una regressione lineare multipla della variabile dipendente trasformata secondo l’equazione proposta e l’individuazione del valore dei coefficienti di regressione standardizzati, è stato ricavato il contributo di ciascun parametro, e in particolare quello dell’isolamento termico, sulla prestazione termica estiva per i due casi studio esaminati. In riferimento al microclima esterno e alle condizioni d’uso considerate, i risultati dell’analisi di sensibilità mostrano la ridotta influenza dell’involucro edilizio opaco sulla prestazione termica estiva a causa della prevalente influenza di altri fattori, quali le caratteristiche termiche e solari della superficie trasparente e l’estensione della superficie stessa. Nell’edificio ad uso uffici, in particolare, il contributo maggiore al carico interno non è da attribuire all’involucro, ma alle sorgenti termiche interne. L’importanza dell’isolamento termico nella progettazione termica estiva aumenta al diminuire dell’estensione della superficie vetrata e dell’effetto delle schermature solari; aumenta inoltre al diminuire degli apporti termici interni. L’ottimizzazione progettuale è un’altra possibile applicazione della nuova metodologia d’indagine termica; un esempio è fornito attraverso l’analisi di un edificio passivo in costruzione a Carpi (MO), caratterizzato dall’iper-isolamento delle strutture d’involucro. Le “criticità” progettuali evidenziate attraverso l’applicazione del metodo riguardano la presenza di carichi interni di modesta entità e il posizionamento non corretto delle schermature solari. È stata quindi proposta una strategia per l’abbattimento dei carichi interni: si tratta dell’attivazione della ventilazione naturale, introducendo in ambiente una portata d’aria più elevata quando le condizioni esterne risultano favorevoli. La riduzione del fabbisogno energetico per il raffrescamento è conseguente all’aumento del flusso termico convettivo legato alla ventilazione, e questo aspetto è ben evidenziato nella rappresentazione grafica della metodologia d’analisi. Il lavoro di tesi ha portato alla messa a punto di una metodologia di analisi piuttosto che a risultati generalizzabili. Tra gli sviluppi futuri dell’attività di ricerca è prevista l’estensione dello studio al fine di considerare un numero più ampio di condizioni al contorno (es. localizzazioni, destinazioni d’uso). Inoltre, l’analisi di sensibilità, pur identificando in maniera qualitativa ma già sufficientemente indicativa il peso di ciascun parametro progettuale o condizione al contorno sulla prestazione termica estiva, dovrà essere approfondita al fine di individuare un’espressione più precisa per predire l’entità del fabbisogno in funzione dei parametri di influenza.